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Das technische Gebiet der Erfindung betrifft die Gewichtskompensation von optischen Bauteilen, insbesondere in Lithographievorrichtungen.
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Eine bekannte Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation von optischen Bauteilen ist in der Druckschrift
EP 1 495 669 A1 beschrieben.
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Eine herkömmliche Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation kann Magnete zur Erzeugung eines Passivmagnetkreises sowie Spulen zur Erzeugung eines Aktivmagnetkreises aufweisen.
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Bedingt durch hohe Anforderungen an die Passivmagnetkraft des Passivmagnetkreises, welche herkömmlicherweise fünfzig mal größer als die durch den Aktivmagnetkreis erzeugte Aktivkraft ist, ergibt sich eine geringe Effizienz für den Aktuator, beispielsweise einen Motor.
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Um die Effizienz der Vorrichtung oder des Aktuators zu erhöhen, existieren verschiedene herkömmliche Möglichkeiten. Beispielsweise kann durch eine Vergrößerung der Magnete eine verbesserte Effizienz erreicht werden. Eine solche Vergrößerung oder Volumenvergrößerung der Magnete bedingt allerdings auch eine erhöhte Masse am bewegten Teil der Vorrichtung, was wiederum die Dynamik der Vorrichtung verschlechtert. Eine zweite Möglichkeit liegt in der Vergrößerung der Querschnitte der Spulen. Bedingt durch die begrenzten Bauräume im Gehäuse der Vorrichtung, kann eine optimierte Konfiguration hinsichtlich der Querschnitte der Spulen herkömmlicherweise nicht umgesetzt werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, durch eine Lithographievorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
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Demgemäß wird eine Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils angegeben, welche zumindest einen axial magnetisierten Permanentmagneten, eine Spule und einen Polschuh aufweist. Der axial magnetisierte Permanentmagnet ist zur Erzeugung eines ersten magnetischen Kreises geeignet. Die Spule ist zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Kreises geeignet. Der Polschuh ist zum Führen des magnetischen Flusses des ersten magnetischen Kreises an die zumindest eine Spule geeignet.
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Der Polschuh führt den mittels des Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss des ersten magnetischen Kreises möglichst nah an die Spule. Damit ist der Polschuh dazu eingerichtet, die Feldlinien des ersten magnetischen Kreises oder ersten Magnetkreises durch die Spule zu konzentrieren.
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Durch die Konzentration der Feldlinien des ersten magnetischen Kreises durch die Spule, wird die Flussdichte durch die Spule erhöht. Weil die durch die Spule erzeugte Lorentzkraft von der Flussdichte durch die Spule abhängig ist, erhöht sich die von der Spule erzeugte Lorentzkraft mit der Erhöhung der Flussdichte durch die Spule.
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Dadurch wird die Effizienz der Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation des optischen Bauteils erhöht. Dabei kann die Effizienz der Vorrichtung durch eine sogenannte Steepness beschrieben werden, welche durch
definiert ist, wobei F die Kraft, I den elektrischen Strom und R den elektrischen Widerstand bezeichnen.
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Folglich kann die Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation gegenüber einer konventionellen Vorrichtung bei gleichem Strom eine höhere Lorentzkraft erzeugen, weil der magnetische Fluss möglichst nahe an die Spule geführt ist.
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Durch die Maßnahme des Vorsehens der Polschuhe wird das Gewicht der Vorrichtung nur minimal erhöht, aber ein erheblicher Performancegewinn für die Steepness erreicht.
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Der durch den oder die Permanentmagneten erzeugte erste magnetische Kreis kann auch als Passivmagnetkreis bezeichnet werden. Demgegenüber kann der durch die Spule oder Spulen erzeugte zweite magnetische Kreis auch als Aktivmagnetkreis bezeichnet werden.
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Ferner wird ein Aktuator vorgeschlagen, welcher zumindest eine wie oben erläuterte Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils aufweist.
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Des Weiteren wird eine Lithographievorrichtung vorgeschlagen, welche zumindest einen wie oben erläuterten Aktuator zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils aufweist.
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Außerdem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wird zumindest ein axial magnetisierter Permanentmagnetring zur Erzeugung eines ersten magnetischen Kreises in der Vorrichtung angeordnet. In einem zweiten Schritt wird zumindest eine Spule zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Kreises in der Vorrichtung angeordnet. In einem dritten Schritt wird zumindest ein Polschuh relativ zu dem zumindest einen Permanentmagneten derart angeordnet, dass der zumindest eine Polschuh zum Führen des magnetischen Flusses des ersten magnetischen Kreises an die zumindest eine Spule geeignet ist. Beispielsweise wird der zumindest eine Polschuh auf dem zumindest einen Permanentmagneten angeordnet.
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Axial bezieht sich insbesondere auf die Längsrichtung der Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation.
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Das optische Bauteil ist beispielsweise ein Spiegel. Das optische Bauteil ist insbesondere in Längsrichtung oberhalb der Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind der Polschuh und der Permanentmagnet derart zueinander angeordnet, dass der magnetische Fluss des ersten magnetischen Kreises durch die zumindest eine Spule maximiert ist. Damit ist der durch den Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss durch die Spule maximiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Permanentmagnet mit einer Kapsel gekapselt, welche in einem ersten Bereich aus einem magnetischen Material zur Ausbildung des Polschuhs gebildet ist und in einem zweiten Bereich aus einem nicht-magnetischen Material gebildet ist.
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Der Polschuh ist derart angeordnet, dass er den magnetischen Fluss möglichst nahe an die Spule führen kann. Für den Polschuh wird insbesondere eine magnetische Legierung verwendet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung einen radial magnetisierten, zur Längsachse rotationssymmetrisch angeordneten Außenpermanentmagnetring,
eine in Richtung der Längsachse oberhalb des Außenpermanentmagnetrings angeordnete erste Spule,
einen axial magnetisierten, innerhalb des Außenpermanentmagnetrings und gegenüber der ersten Spule angeordneten ersten Innenpermanentmagnetring,
einen ersten Polschuh zum Führen des durch den ersten Innenpermanentmagnetring erzeugten magnetischen Flusses an die erste Spule,
eine in Richtung der Längsachse unterhalb des Außenpermanentmagnetrings angeordnete zweite Spule,
einen axial magnetisierten, innerhalb des Außenpermanentmagnetrings und gegenüber der zweiten Spule angeordneten zweiten Innenpermanentmagnetring, und
einen zweiten Polschuh zum Führen des durch den zweiten Innenpermanentmagnetring erzeugten magnetischen Flusses an die zweite Spule, auf.
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Der erste Polschuh ist insbesondere als der Deckel der Kapsel des ersten Innenpermanentmagnetrings ausgebildet. Demgegenüber ist der zweite Polschuh insbesondere als Boden der Kapsel des zweiten Innenpermanentmagnetrings ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der erste Polschuh in Längsrichtung oberhalb des ersten Innenpermanentmagnetrings angeordnet und der zweite Polschuh ist in Längsrichtung unterhalb des zweiten Innenpermanentmagnetrings angeordnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Mittel zum Einstellen einer Bestromung der Spule vorgesehen.
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Das Mittel zum Einstellen der Bestromung der Spule kann als Teil einer Steuervorrichtung ausgebildet sein. Die Steuervorrichtung steuert oder regelt den Strom durch die Spule. Damit ist der von der Spule erzeugte zweite magnetische Kreis aktiv regelbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Mittel zum Einstellen eines Abstands zwischen dem ersten Innenpermanentmagnetring und dem zweiten Innenpermanentmagnetring vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Höhe des ersten Innenpermanentmagnetrings und die Höhe des zweiten Innenpermanentmagnetrings derart ausgelegt, dass ein Maximum oder ein Minimum einer resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie in einer Symmetrieebene des Außenpermanentmagnetrings liegt.
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Eine potenzielle Verschiebung der Kraft-Weg-Kennlinie aus der Symmetrieebene des Außenpermanentmagnetrings infolge des Vorsehens der Polschuhe, kann durch unterschiedliche Höhen des ersten und zweiten Innenpermanentmagnetrings kompensiert werden. Dadurch, dass das Maximum oder das Minimum der resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie in die Symmetrieebene des Außenpermanentmagnetrings gelegt wird, kann eine gleichmäßige Kraftaufteilung auf die beiden Innenpermanentmagnetringe erzielt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der zumindest eine Permanentmagnet und die zumindest eine Spule derart ausgelegt, dass eine durch den ersten magnetischen Kreis erzeugte Kraft auf das optische Bauteil zumindest zumindest zwanzig mal höher, insbesondere fünfzig mal höher, als eine durch den zweiten magnetischen Kreis erzeugte Kraft auf das optische Bauteil ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Polschuh aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus einer Eisen-Kobalt-Legierung oder aus einem magnetisch leitfähigen Stahl.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Permanentmagnet aus Seltenen-Erden-Materialen hergestellt. Insbesondere ist der Permanentmagnet ein Neodym-Eisen-Bor(NdFeB)-Magnet oder ein Samarium-Kobalt-Magnet. Auch die Verwendung von anderen Magnetwerkstoffen, wie zum Beispiel Hartferrite oder AlNiCo (Aluminium-Nickel-Cobalt), ist möglich. Allerdings besitzen die Seltenen-Erden-Magnete die höchsten Magnetenergiedichten.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1: eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils;
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2: eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils;
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3: eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils; und
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4: ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils.
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In der 1 ist eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils dargestellt. Das optische Bauteil, dessen Gewichtskraft zu kompensieren ist, ist beispielsweise ein Spiegel.
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Die Vorrichtung 1 hat zwei axial magnetisierte Permanentmagneten 2, 3 zur Erzeugung eines ersten magnetischen Kreises. Die beiden axial magnetisierten Permanentmagneten 2 und 3 sind als ein erster Innenpermanentmagnetring 2 und als ein zweiter Innenpermanentmagnetring 3 ausgebildet.
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Ferner weist die Vorrichtung 1 eine erste Spule 4 und eine zweite Spule 5 zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Kreises auf.
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Des Weiteren hat die Vorrichtung 1 einen radial magnetisierten, zur Längsachse 14 der Vorrichtung 1 rotationssymmetrisch angeordneten Außenpermanentmagnetring 15.
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Die erste Spule 4 ist in Richtung der Längsachse 14 oberhalb des Außenpermanentmagnetrings 15 angeordnet. Der erste Innenpermanentmagnetring 2 ist innerhalb des Außenpermanentmagnetrings 15 und gegenüber der ersten Spule 4 angeordnet.
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Die zweite Spule 5 ist in Richtung der Längsachse 14 unterhalb des Außenpermanentmagnetrings 15 angeordnet. Der zweite Innenpermanentmagnetring 3 ist innerhalb des Außenpermanentmagnetrings 15 und gegenüber der zweiten Spule 5 angeordnet.
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Weiter hat die Vorrichtung 1 einen ersten Polschuh 6 und einen zweiten Polschuh 7 zum Führen des magnetischen Flusses des ersten magnetischen Kreises an die erste Spule 4 und an die zweite Spule 5. Dabei ist der erste Polschuh 6 oberhalb des ersten Innenpermanentmagnetrings 2 angeordnet. Demgegenüber ist der zweite Polschuh 7 unterhalb des zweiten Innenpermanentmagnetrings 3 angeordnet.
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Des Weiteren sind die Innenpermanentmagnetringe 2, 3 und die Spulen 4, 5 derart ausgelegt, dass eine durch den ersten magnetischen Kreis erzeugte Kraft auf das optische Bauteil zumindest fünfzig mal höher als eine durch den zweiten magnetischen Kreis erzeugte Kraft auf das optische Bauteil ist.
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Weiter kann die Vorrichtung 1 ein erstes Mittel (nicht gezeigt) zum Einstellen der Bestromung der ersten Spule 4 und der zweiten Spule 5 aufweisen. Auch ein zweites Mittel zum Einstellen eines Abstandes B zwischen dem ersten Innenpermanentmagnetring 2 und dem zweiten Innenpermanentmagnetring 3 kann vorgesehen werden. In 1 zeigt dabei B1 den Abstand des ersten Innenpermanentmagnetrings 2 von der Symmetrieachse 16. Entsprechend zeigt B2 den Abstand des zweiten Innenpermanentmagnetrings 3 von der Symmetrieachse 16.
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Das Bezugszeichen 17 zeigt das Gehäuse der Vorrichtung 1. Die Nordpole der Magneten sind mit N und die Südpole der Magneten 2, 3, 15 sind mit S bezeichnet.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils. Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 dahingehend, dass die Permanentmagnetringe 2, 3, 15 und die Spulen 4, 5 gekapselt sind.
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Dabei ist der erste Innenpermanentmagnetring 2 mit einer Kapsel 8 gekapselt. Der zweite Innenpermanentmagnetring 7 ist mit einer Kapsel 9 gekapselt. Weiter ist die erste Spule 4 mit einer Kapsel 18 gekapselt. Die zweite Spule 5 ist mit einer Kapsel 19 gekapselt und der Außenpermanentmagnetring 15 ist mit einer Kapsel 20 gekapselt.
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Die Kapsel 8 zur Kapselung des ersten Innenpermanentmagnetrings 2 ist in einem ersten Bereich 10 aus einem magnetischen Material zur Ausbildung des ersten Polschuhs 6 und in einem zweiten Bereich 12 aus einem nicht-magnetischen Material. Ein Beispiel für ein nicht-magnetisches Material ist Aluminium.
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Die Kapsel 9 zur Kapselung des zweiten Innenpermanentmagnetrings 3 ist in einem ersten Bereich 11 aus einem magnetischen Material zur Ausbildung des zweiten Polschuhs 7 und in einem zweiten Bereich 13 aus einem nicht-magnetischen Material gebildet. Der erste Bereich 10 aus dem magnetischen Material bildet den Deckel der Kapsel 8. Der erste Bereich 11 aus dem magnetischen Material zur Ausbildung des zweiten Polschuhs 7 bildet den Boden der Kapsel 9.
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Die 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung 1 zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils. Dabei zeigt die 3 nur die rechte Hälfte der Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 ist entsprechend der Vorrichtung 1 der 1 oder der 2 ausgebildet, wobei sie sich in den Größen der Innenpermanentmagnetringe 2 und 3 unterscheidet. Die Höhe des ersten Innenpermanentmagnetrings 2 und die Höhe des zweiten Innenpermanentmagnetrings 3 sind derart ausgelegt, dass ein Maximum oder ein Minimum einer resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie in der Symmetrieachse 16 des Außenpermanentmagnetrings 15 liegt.
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Beispielhaft ist in der 3 die Höhe des ersten Innenpermanentmagnetrings 2 größer als die Höhe des zweiten Innenpermanentmagnetrings 3.
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In der 4 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation eines optischen Bauteils dargestellt.
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In Schritt S1 wird zumindest ein axial magnetisierter Permanentmagnetring zur Erzeugung eines ersten magnetischen Kreises in der Vorrichtung angeordnet.
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In Schritt S2 wird zumindest eine Spule zur Erzeugung eines zweiten magnetischen Kreises in der Vorrichtung angeordnet.
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In Schritt S3 wird zumindest ein Polschuh relativ zu dem zumindest einen Permanentmagneten derart angeordnet, dass der zumindest eine Polschuh zum Führen des magnetischen Flusses des ersten magnetischen Kreises an die zumindest eine Spule geeignet ist. Beispielsweise wird der zumindest eine Polschuh auf dem zumindest einen Permanentmagneten angeordnet.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Die vorgeschlagenen Materialien für die Magnete und Spulen sind lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Permanentmagnet
- 3
- Permanentmagnet
- 4
- Spule
- 5
- Spule
- 6
- Polschuh
- 7
- Polschuh
- 8
- Kapsel
- 9
- Kapsel
- 10
- 1. Bereich
- 11
- 1. Bereich
- 12
- 2. Bereich
- 13
- 2. Bereich
- 14
- Längsachse
- 15
- Außenmagnetring
- 16
- Symmetrieachse
- 17
- Gehäuse
- 18
- Kapsel
- 19
- Kapsel
- 20
- Kapsel
- B
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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